Разработка методов и средств диагностирования компрессора

http://www..ru/

http://www..ru/

Министерство образования Российской Федерации ОТЧЁТ О ВЫПОЛНЕНИИ КУРСОВОГО ПРОЕКТА Техническое диагностирование судового оборудования по теме:

РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ И СРЕДСТВ ДИАГНОСТИРОВАНИЯ КОМПРЕССОРА Санкт-Петербург 2010

ОГЛАВЛЕНИЕ Задание Введение Выбор и обоснование диагностического сигнала Основные дефекты диагностируемых узлов и их диагностические признаки Расчёт основных частот вибрации подшипников качения, асинхронного двигателя и насоса Сравнительный анализ вибрационных методов для диагностируемых узлов Выбор и обоснование методов диагностирования для диагностируемых узлов Выбор вибропреобразователей и точек измерения вибрации Блок-схемы, реализующие выбранные методы диагностики для диагностируемых узлов Расчёт основных установок анализатора Экспертное заключение о техническом состоянии для диагностируемых узлов Заключение Список используемой литературы

Одной из важных и актуальных проблем в настоящее время является повышение качества и надежности машин и оборудования в любой отрасли промышленности и в том числе СЭУ. Хорошо известны традиционные пути повышения ресурса и надежности, такие как:

— совершенствования конструкции и технологии изготовления отдельных элементов;

— оптимизация систем;

— резервирование машин и оборудования;

— увеличение коэффициента запаса.

Однако эти пути наиболее эффективны для систем ограниченной мощности (системы автоматического управления, информационные системы, системы связи), что обусловлено высокими темпами развития элементной базы, высокой степенью её интеграции и миниатюризации. Но для судовых энергетических установок (СЭУ) и технология изготовления и сама конструкция изменяются незначительно, а высокая степень резервации и введение коэффициентов запаса невозможно из-за ограничений по массе и габаритам. Поэтому потребовалось изыскание новых путей повышения надежности и ресурса.

Сложность диагностирования судового оборудования определяется большой номенклатурой машин и оборудования, различающихся своей спецификацией:

— механизмы поршневого типа;

— парогазовые турбины;

— потокосоздающие и потокопроводящие системы;

— редукторы;

— электрические машины и т. д.

Одним из наиболее эффективных и перспективных в настоящее время путей повышения надежности и ресурса работы машин и механизмов СЭУ является разработка и совершенствование методов и средств технической диагностики (ТД) и создание автоматизированных систем диагностирования. В подтверждение вышесказанному приведена таблица превышения эксплуатационных расходов над расходами на изготовление.

Техническая диагностика — это область науки и техники, изучающая и разрабатывающая методы и средства, определение и прогнозирование технического состояния механизмов машин и оборудования без их разборки.

Техническая диагностика представляет собой раздел общей теории надёжности и является отраслью автоматики.

В зависимости от условий диагностирования и особенностей самого объекта задачи можно сформулировать следующим образом:

определение работоспособности объекта, то есть, может ли он выполнять возложенные на него функции;

поиск возникшего дефекта, то есть определение характера дефекта, его глубину и т. д.;

прогнозирование изменения состояния объекта.

Общая последовательность процедур при диагностировании:

выявить дефекты, от которых зависит ресурс машины, механизма. Выбор типовых дефектов основывается на статистике отказов;

рассмотреть работу механизма или узла с точки зрения создания возмущающих сил.

оценить влияние дефектов на параметры диагностических сигналов;

оценить влияние условий работы на те же параметры и выбрать такие параметры, которые сильно зависят от дефектов и слабо от режимов условий работы;

из этих параметров следует выбирать те, которые зависят преимущественно от одного вида дефектов.

вибрация компрессор диагностирование

1. Выбор и обоснование диагностического сигнала

Оценить состояние оборудования можно по величинам свойств: механических (износ, деформация, перемещение и т. п.); электрических (напряжение, ток, мощность и др.); химический (состав газов, смазки и т. п.), а так же по излучению энергии (тепловой, электромагнитной, акустической и т. п.)[17]

При выборе диагностического сигнала для решения такой сложной задачи, как оценка технического состояния машины или оборудования с определением места возникновения дефекта, идентификацией вида дефекта и степени его развития, а также прогнозирование изменения технического состояния объекта, требуется большой объем диагностической информации.

Такие диагностические сигналы, как температура, давление, напор жидкости, наличие металлических частиц в смазке и т. п., можно характеризовать практически только одним параметром — их величиной. Значительно больший объем информации содержится в акустическом или гидродинамическом шуме и вибрации — это их общий уровень, уровни в определенных полосах частот, соотношения между этими уровнями, амплитуды, частоты и начальные фазы каждой составляющей, соотношения амплитуд и фаз и т. д. Таким образом, именно сигналы шума и вибрации в наибольшей степени удовлетворяют требованию, предъявляемому к диагностическим сигналам для решения задач глубокой диагностики и прогноза состояния машин. Еще одним обстоятельством в пользу выбора вибрации машин и оборудования в качестве диагностического сигнала является то, что дополнительные колебательные силы, возникающие из-за дефекта, возбуждают вибрацию непосредственно в месте его проявления. Вибрация практически без потерь распространяется до источника ее измерения, и, поскольку машина «прозрачна» для вибрации появляется возможность исследовать колебательные силы, действующие в работающей машине. Это позволяет диагностировать ее на рабочем месте, без остановки и разборки.

Основные дефекты диагностируемых узлов и их диагностические признаки

Основные дефекты подшипников качения:

Вибродиагностические признаки дефектов асинхронного двигателя.

Примечание: f₁-частота питающего напряжения, Гц; f_rt— частота вращения ротора, Гц; f_Zrt= f_rt Z_rt±2f₁-зубцовые частоты ротора, Гц; f_Zst= f_rt Z_st-зубцовая частота статора, Гц; Z_rt-число зубцов ротора; Гц; Z_st-число зубцов статора; Sскольжение ротора; pчисло пар полюсов; R, T — радиальное и тангенциальное направление возбуждении вибрации.

Вибродиагностические признаки дефектов агрегатов с рабочими колесами:

Примечание: f_вр— частота вращения рабочего колеса; f_л— лопастная частота; УНЧсоставляющие спектра вибрации на частотах менее f_вр/2; НЧнизкочастотная часть спектра огибающей; ВЧвысокочастотная часть спектра вибрации; k= 1,2,3,…; k₁=1,2,3,…

Расчёт основных частот вибрации подшипников качения, редуктора, машины постоянного тока Основные частоты двигателя

f_вр=n/60=2958/60=49.3 Гц

f_z= f_вр*Z_rt=49.3*28=1380.4 Гц

S=(f₁— p* f_вр)/f₁=(50−1*49.3)/50=0.014

Основные частоты компрессора Лопастная частота:

fл=fвр*z=49.3*2=98.6 Гц Где z — число лопастей компрессора Основные частоты для подшипника SU 311

Частота вращения сепаратора

f_c=0,5*f_вр*(1-(d_тк/d_c)*cosб)=0,5*49.3*(1−17/87.5)*cos0)=19.97 Гц Частота вращения тел качения

=0.5*49.3*87.5/17*(1−289/7656.25)=122.08 Гц Частота перекатывания тел качения по наружному кольцу

f_c=0,5*f_вр*(1-(d_тк/d_c*cosб)*z=0.5*49.3*(1−17/87.5)*12=239.6 Гц Частота перекатывания тел качения по внутреннему кольцу

f_в=0,5*f_вр*(1+(d_тк/d_c*cosб)*z=0.5*49.3*(1+17/87.5)*12=353.27 Гц Основные частоты рабочего колеса:

Лопастная частота

f₁= f_вр *z=49.3*2=98.6 Гц Сравнительный анализ вибрационных методов для диагностируемых узлов Метод ударных импульсов (SPM)

Во многих случаях изменение технического состояния элементов машин и оборудования, особенно на начальной стадии развития дефектов, не влияет на общий уровень вибрации и шума. Так в частности для подшипников, появление небольших дефектов на телах качения, а также на наружной или внутренней обоймах практически не изменяет общего уровня вибрации и шума. Однако наличие даже зарождающихся дефектов в подшипнике приводит к появлению высокочастотных ударных импульсов и, следовательно, к увеличению пиковых уровней в высокочастотном сигнале вибрации, при этом его среднеквадратические уровни в общем случае могут даже оставаться неизменными. Поэтому, отношение пикового и среднеквадратического значений, которое называется пикфактором — диагностический признак, а метод, основанный на измерении пикфактора, называется методом ударных импульсов. В случае отсутствия ударных импульсов пикфактор имеет значение меньше пяти, а при их наличии этот показатель может быть выше десяти.

Однако, поскольку ударные импульсы появляются при различных видах дефектов и при изменении качества смазки, этот метод не позволяет идентифицировать вид дефекта, а следовательно может быть использован только для контроля состояния узла, но не для его диагностирования. Невозможность определить вид дефекта методом ударных импульсов не позволяет осуществлять долгосрочный прогноз состояния узла, так как различные дефекты имеют разные скорости развития. Кроме того, дефекты сборки, которые не приводят к продавливанию слоя смазки, не вызывают появление микроударов, а следовательно не могут быть обнаружены. Еще одно обстоятельство ограничивает применение метода ударных импульсов: рост пикфактора прекращается при развитых дефектах и даже происходит его уменьшение по мере увеличения степени развития дефекта. Это определяется тем, что среднеквадратическое значение высокочастотной вибрации в этом случае начинает расти быстрее, чем его пиковое значение.

На практике стандартный виброметр может совмещать функции прибора, измеряющего общий уровень, и прибора для измерения пикфактора. При измерениии пикфактора высокочастотной вибрации часто используется механический резонатор-камертон в виде металлического стержня с резонансом на частотах выше 25 кГц.

Метод ударных импульсов и реализующие его достаточно простые приборы широко используются для обнаружения некоторых видов зарождающихся дефектов, в основном, подшипников качения.

Есть ультразвуковая вибрация которая возникает при импульсном разрушении молекулярной структуры поверхностных слоев элементов трения. Эта импульсная вибрация возникает под нагрузкой при старении материалов в виде поверхностной волны и носит название акустической эмиссии. Обычно под акустической эмиссией понимаются колебательные импульсы нелинейной природы, а на практике принято исследовать и использовать в диагностических целях эмиссию статически нагруженных; материалов и эмиссию при утечках жидкости или газа в сосудах и трубопроводах под давлением. Что касается методов диагностики элементов трения на основе анализа акустической эмиссии трения, то практическая невозможность разделить в подшипниках ударные составляющие вибрации линейного происхождения с максимумом спектральной плотности на частотах до ста килогерц, и нелинейного происхождения с максимальной спектральной плотности выше ста килогерц, ограничивает их возможности.

Общий уровень (SOLV)

Простейший из виброакустических методов — метод измерения общего уровня вибрации. В этом случае в широких частотных диапазонах измеряются или среднеквадратичные значения, или пиковые значения виброускорения, виброскорости или виброперемещения механических колебаний. При измерении общего уровня колебаний максимальный вклад могут давать несколько основных составляющих или даже одна доминирующая составляющая, например, составляющая на частоте вращения. Эта составляющая имеет, безусловно, большое значение, однако развивающиеся дефекты могут привести к росту других составляющих, уровень которых может быть значительно ниже уровня доминирующей составляющей. Таким образом, измерение общего уровня является слишком грубой оценкой с точки зрения определения технического состояния машины или оборудования и может быть использовано, скорее, для его контроля, чем для мониторинга. Однако следует отметить, что практически все системы мониторинга и диагностики дают информацию об общем уровне вибрации. Она используется, в частности, для сравнения с установленными стандартами пороговыми значениями и для построения трендов, т. е. зависимостей общего уровня от времени, что дает возможность оценить в первом приближении скорость изменения состояния машины или оборудования.

Данный метод применяется для диагностики низкооборотных машин (n<600 об/мин). Основан на определении общего уровня вибрации в полосе частот от 2 Гц до 1 кГц. Суть метода заключается в следующем: из автоспектра вибрации, в диапазоне 2ч1000 Гц выбираются все составляющие, после этого находится среднее квадратичное значение (СКЗ) вибрации. Данные действия выполняются для виброскорости, которая имеет размерность мм/с, поэтому если автоспектр измерен для виброускорения, и значения составляющих получены в дБ или м/с² — их нужно привести к необходимым единицам. В результате данного метода получаем общий уровень вибрации машины, по которому можем определить в какой зоне она работает. Существуют 4 зоны состояния:

— A — уровни вибрации характерны для машин, вводимых в эксплуатацию;

— B — уровни вибрации машин, пригодные для эксплуатации без ограничения срока;

— C — уровни вибрации машин, непригодные для длительной непрерывной эксплуатации;

— D — уровни, характерные для машин, вибрация которых может вызвать их повреждение.

Каждая зона имеет свои границы, по уровню вибрации машины мы можем определить в какой зоне она находится, и сделать общие выводы о её дальнейшей эксплуатации.

Спектральный анализ среднеи низкочастотной вибрации (AS)

Спектральный анализ — это математический аппарат для исследования периодических процессов и выявление в них отдельных компонент, имеющих характерные частоты. Диагностическая информация содержится в параметрах сигнала, таких как: частота основной гармоники, уровень основной гармоники и соотношение уровней основной и кратных гармоник.

Данный метод основан на анализе низкочастотной и среденечастотной вибрации, которые имеют свои особенности. Основной особенностью низкочастотной вибрации является то, что под действием вынуждающей силы машина или ее элементы колеблются как единое целое. При математическом описании таких колебаний объект диагностирования может быть представлен конечным числом жестких тел с упругими связями между ними, т. е. системой с сосредоточенными параметрами. В зависимости от размеров и сложности формы машин или оборудования низкочастотные колебания имеют частоты ниже 100…300 Гц. Однако эта граница может несколько меняться в зависимости от частот колебательных сил, действующих в машине.

Низкочастотная вибрация механизмов, машин и оборудования содержит преимущественно гармонические составляющие, создаваемые вынуждающими силами, часть которых зависит от технического состояния объектов. Диагностическими параметрами низкочастотных составляющих вибрации чаще всего являются амплитуды колебаний на определенных частотах, пропорциональные величине соответствующих вынуждающих сил. Иногда в качестве диагностического параметра используется величина собственной частоты колебаний щ₀, характеризующая, в первую очередь, свойства упругих элементов.

Основные трудности диагностирования машин и оборудования по низкочастотной вибрации связаны, во-первых, с тем, что не все элементы имеют упругие связи, т. е. не все установлены на виброизоляторах, что значительно усложняет описание колебательной системы. Во-вторых, собственные частоты элементов машин или оборудования точно неизвестны, а от их величин в значительной степени зависит амплитуда колебаний, являющаяся, как правило, основным диагностическим параметром.

Характерная особенность среднечастотной вибрации механизмов и конструкций — невозможность представить объект в виде системы с сосредоточенными параметрами, т. е. выделить в ней элементы, имеющие только инерционные и только упругие свойства. Это определяется тем, что каждый элемент на средних частотах обладает и теми и другими свойствами. Вынужденные колебания в этом случае еще нельзя представить в виде распространяющейся волны, однако, в пространстве они уже приобретают собственные формы, отражающие свойства колебательной системы.

Большое число собственных форм колебаний не только целой машины или оборудования, но и отдельных их узлов, затрудняет определение амплитуд вынуждающих сил по результатам измерения амплитуды колебаний на определенной частоте. Особенно, если собственные частоты отдельных узлов находятся в области средних частот, а именно, в диапазоне, от 100−300 Гц до 1−3 кГц. Это усложняет выделение диагностической информации, заложенной в пространственных характеристиках вибрации. Поэтому параметры вибрации в области средних частот редко используются в качестве диагностических. Исключением является случай, когда у исправного объекта одна из составляющих вибрации отсутствует и появляется лишь при наличии определенного вида дефекта.

При измерении вибрации рекомендуется использовать датчики виброускорения, так как разрушающее действие на узлы машины оказывают в основном силы, которые (по второму закону Ньютона) действуя на массу, вызывают ускорение. Данное условие существенно упрощает анализ.

Виброакустический сигнал представляет собой совокупность многих составляющих акустического шума или вибрации, связанных с техническим состоянием машины или оборудования. Как уже было сказано, реальный сигнал шума или вибрации содержит, как правило, сумму гармонических составляющих и случайных составляющих.

Спектральное представление периодических сигналов, а именно такими является множество сигналов акустического шума и вибрации в установившихся режимах работы вращающихся машин и оборудования, можно получить, используя разложение в ряд Фурье:

среднее значение сигнала Х (t), как правило равное нулю;

а_к и b_к — коэффициенты ряда Фурье, связанные с временной функцией сигнала Х (t) следующими выражениями:

Амплитуды к-й гармоники:

Начальная фаза к-й гармоники:

За время от 0 до t вычисляется мгновенный спектр.

Оцифровываем входной сигнал

N=1024; N=2048; N=4096

Nколичество отсчетов на периоде от 0 до t

Быстрое преобразование Фурье (FFT) дает уменьшение кол-ва вычислений в раз.

Количество частотных линий (n) и в спектре и в аппаратуре не равно количеству отсчетов за время измерения мгновенного спектра (за время t) Причиной является наличие эффекта алайзинга.

Для стационарных случайных сигналов также можно использовать спектральное преобразование. Только в этом случае используется не разложение в ряд Фурье, как для периодических сигналов, а интегральное преобразование Фурье:

где S (щ) — спектральная плотность, характеризующая распределение энергии по частоте, на периоде от 0 до t.

Основная опасность при оцифровке сигнала — это появление ложных частот, отсутствующих в исходном сигнале (оцифровку проводят с постоянной частотойчастотой дискретизации).

— т. Котельникова-Найквиста.

В этом случае гарантируется, что оцифрованный сигнал правильно передает аналоговую форму волны.

С эффектом алайзинга борятся антиалайзинговые фильтры. Теоретический идеальный антиалайзинговый фильтр должен быть. прямоугольным, т. е. — это фильтр низких частот.

Требование к крутизне фронта очень жесткие настолько, что фильтр получил название кирпичная стена.

Сверх требование к крутизне фронта АФ приводит к тому, что при любой цифровой фильтрации АФ всегда аналоговые.

N=1024; n=400

N=2048; n=800

N=4096; n=1600

n-число частотных линий

Nчисло отсчетов За период от 0 до t получили мгновенный спектр. Окончательно спектр можно получить после усреднения нескольких мгновенных спектров

f_N=N/t

Усреднения для компенсации случайных составляющих.

— спектральная плотность.

На рисунке в левом верхнем углу приведен гармонический сигнал, на его реализацию накладывается ограничение по времени. Спектр этого сигнала вместо одной составляющей, получается сложный вид. Это происходит из-за того, что исходный сигнал ограничен во времени. Чтобы уменьшить исключения, связанные с конечной длинной части временного сигнала (от 0 до t), используется так называемое окно Ханнинга.

W_i— окно Ханнинга

W=cos (x),

W_i=

Спектральный анализ огибающей случайного высокочастотного сигнала (ES)

Данный метод применяется для анализа медленных изменений мощности относительно быстрых процессов, то есть это могут быть силы трения и ударные импульсы. Метод имеет преимущества в отличие от спектрального анализа, так как технология огибающей основана на анализе высокочастотной вибрации, которая локализована в пространстве около источника вибрации. Таким образом, при измерении спектра огибающей вибрации диагностируемого узла, мы с большой вероятностью видим сигнал именно с этого узла. У бездефектного узла в спектре огибающей не будет гармонических составляющих, и появление в нём хотя бы одной линии говорит о наличии дефекта. По спектру огибающей можно определить глубину модуляции, а это даёт возможность говорить о величине дефекта по однократному измерению вибрации.

Затруднения при выделении диагностической информации из низкочастотной и среднечастотной вибрации, возможные ее искажения и сложности локализации дефекта — все это определило повышенный интерес к высокочастотной вибрации. В этой области вибрация приобретает волновой характер. Одним из определяющих преимуществ этой области частот является быстрое затухание высокочастотной вибрации при ее распространении, что позволяет «увидеть» только диагностируемый узел. Природа сил, действующих в области высоких частот, — силы трения и микроудары, возбуждающие не гармонические колебания, а случайные. На первый взгляд в высокочастотной области спектра практически отсутствует диагностическая информация, в отличие от низкочастотной области, богатой гармоническими составляющими, непосредственно связанными с конструктивными параметрами диагностируемых узлов и наличием определенных видов дефектов.

Но оказывается, что силы трения, возбуждающие высокочастотную случайную вибрацию, стационарны только при отсутствии дефектов. В бездефектных узлах трения стационарна и случайная высокочастотная вибрация. Ее мощность постоянна во времени. При появлении дефектов, например, в подшипнике качения, приводящих даже к частичному «продавливанию» смазки, изменяются периодически во времени силы трения или возникают удары, возбуждающие высокочастотную вибрацию. Также удары могут появиться, если смазка не очень хорошая и ее слой легко «рвется». Таким образом при наличии дефектов величина сил трения и мощность вибрации изменяются во времени, т. е. появляется модуляция мощности высокочастотной вибрации.

Глубину модуляции случайного амплитудно-модулированного сигнала вибрации Х (t) можно определить в процентах:

где X_max, X_min — максимальное и минимальное значения огибающей сигнала соответственно.

При изменении вида дефекта частота модуляции изменяется. Чем больше степень развития дефекта, тем больше становится глубина модуляции. Таким образом, вся информация о техническом состоянии содержится в огибающей высокочастотного сигнала. Частота модуляции определяет вид дефекта, а глубина модуляции — степень его развития.

В спектре огибающей высокочастотной вибрации можно наблюдать за развитием одновременно всех имеющихся дефектов по величинам превышения гармонических составляющих на определенных частотах над фоном. Таким образом появляется возможность определения парциальных глубин модуляции, т. е. глубин модуляции для каждого из имеющихся дефектов. Это позволяет определять степень развития всех дефектов и идентифицировать их вид. Следовательно, имеется возможность прогнозировать состояние диагностируемого узла, так как каждый вид дефекта имеет свою скорость развития.

Глубина модуляции т связана с разностью ДL уровней гармонической и случайной составляющих спектра огибающей выражением:

где Дf_ф — ширина полосы фильтра, выделяющего высокочастотную вибрацию; Дf_а — разрешающая способность при анализе спектра огибающей высокочастотной вибрации, (ширина полосы пропускания частот полосового фильтра одного канала анализатора спектра огибающей).

Структурная схема анализатора спектра огибающей высокочастотной вибрации отличается от обычного анализатора спектра наличием полосового фильтра детектора огибающей (с полосой пропускания частот Дf_ф), выделяющего из сигнала вибрации ее высокочастотную составляющую, и детектора огибающей. Далее структурная схема аналогична обычному анализатору спектра, только теперь уже анализируется не весь сигнал вибрации, а только ее огибающая.

Другой путь формирования спектра огибающей — использование преобразования Гильберта для получения огибающей с дальнейшим преобразованием Фурье для получения спектра огибающей.

К достоинствам метода анализа параметров модуляции высокочастотной случайной вибрации, т. е. спектрального анализа огибающей, можно отнести следующее:

1. Возможность локализации дефекта. Она определяется свойством высокочастотной вибрации быстро затухать при распространении, что позволяет оценивать техническое состояние именно того узла, вблизи которого установлен датчик вибрации. По этой же причине спектр огибающей высокочастотной вибрации не «затемнен» составляющими от других узлов контролируемой машины или оборудования, что повышает достоверность диагноза.

2. Высокая чувствительность. В отличие от спектрального анализа низкочастотной и среднечастотной вибрации, где требуются относительно большие силы для ее возбуждения, а следовательно, достоверно обнаружить можно только развитые дефекты, для изменения параметров высокочастотной вибрации требуется гораздо меньшие силы. Поэтому наличие даже зарождающихся дефектов приводит к появлению модуляции высокочастотной вибрации контролируемого узла, а значит и к появлению гармонических составляющих в спектре огибающей этой вибрации.

3. Высокая достоверность определения вида и величины каждого из дефектов. Если сравнивать метод огибающей со спектральными методами анализа низкочастотной и среднечастотной вибрации, то высокая достоверность определяется использованием не абсолютных значений составляющих вибрации, как при спектральном анализе, а относительных значений — парциальных глубин модуляции. При изменении уровня вибрации, например, из-за изменения коэффициента усиления или изменения чувствительности датчика, глубина модуляции, обусловленная появлением дефекта, остается неизменной. В отличие от известного метода анализа высокочастотной вибрации, названного методом резонансной демодуляции, когда анализируются собственные колебания контролируемого узла, методом огибающей анализируются вынужденные колебания, которые полностью передают характеристики колебательных сил. Как следствие, резкое уменьшение погрешности определения свойств и отличительных признаков дефектов, что также повышает достоверность идентификации вида дефекта и степени его развития

4. Возможность постановки диагноза и прогноза по одно кратным измерениям вибрации. Она определяется использованием относительных измерений, т. е. измерений глубин модуляции высокочастотной вибрации, и отсутствием каких бы то ни было гармонических составляющих в спектре огибающей бездефектного подшипника. Знание предельных глубин модуляции всех возможных сильных дефектов и скоростей развития каждого вида дефекта позволяет не только определять вид и степень развития любого дефекта, но и прогнозировать время безаварийной работы контролируемого узла без предварительного построения эталонов. Исключение составляет только дефект смазки, для определения которого создается эталон или по нескольким первым измерениям (обычно по трем), или по группе однотипных машин (обычно не менее пяти).

Таким образом, метод огибающей высокочастотной вибрации позволяет обнаружить, идентифицировать и прогнозировать состояние подшипников качения с дефектами, сопровождающимися появлением модуляции высокочастотной вибрации из-за изменения сил трения и появлением высокочастотных импульсов из-за возникновения микроударов.

Из всех рассмотренных методов наиболее эффективным и чувствительным для диагностики многих видов узлов машин и оборудования является метод, основанный на анализе спектра огибающей их высокочастотной вибрации. Однако в том случае, когда узел находится в стадии деградации, в нем имеется целый ряд развитых дефектов, модуляция его высокочастотной вибрации приобретает случайный характер.

Поэтому чтобы по одиночным измерениям обнаружить предаварийные состояния машины, наиболее целесообразнее, кроме метода огибающей использовать и спектральный анализ их низкочастотной и среднечастотной вибрации. В таком случае окончательный диагноз ставится по результатам совместного спектрального анализа вибрации (при этом эталон может быть построен по группе однотипных машин, обычно пяти) и спектрального анализа огибающей ее высокочастотной вибрации.

Выбор и обоснование методов диагностирования для диагностируемых узлов В системах диагностики рабочих колес компрессора целесообразно использовать спектральный анализ огибающей высокочастотной случайной вибрации.

В системах диагностики электромагнитной системы электродвигателя целесообразно использовать анализ обобщенного спектра. И специально для контроля за состоянием беличьей клетки в асинхронном двигателе приходится измерять спектр низкочастотной вибрации с высоким разрешением по частоте, причем длительность такого измерения может быть весьма большой, так как у ряда асинхронных двигателей частота скольжения sfu может составлять менее 1% от частоты вращения, особенно при его работе с малой нагрузкой.

Для диагностики подшипниковых узлов с подшипниками качения в современных диагностических программах используются два основных подхода. Первый подход реализуется в задачах раннего обнаружения дефектов по однократным измерениям вибрации и использует только результаты спектрального анализа огибающей высокочастотной случайной вибрации. Этот же подход используется и для долгосрочного прогноза состояния подшипников качения. Второй подход используется для наблюдения за развитием дефектов и для краткосрочного прогноза состояния подшипниковых узлов. Он основан на анализе не только спектра огибающей высокочастотной случайной вибрации подшипникового узла, но и на анализе спектров низкочастотной и среднечастотной вибрации. Именно при втором подходе к диагностике подшипников одновременно обеспечивается и диагностика ротора машины. В данном случае выбираем диагностику по спектру огибающей, так как данный сигнал несёт в себе информацию о виде дефекта, степени его развития и месте его нахождения.

Выбор вибропреобразователей и точек измерения вибрации Для диагностики оборудования по вибрации в данной работе будем использовать вибропреобразователь ускорения (пьезо-акселерометр). Принцип действия данного преобразователя основан на пьезо-электрическом эффекте, который заключается в том, что пьезокерамика под действием инерционных сил деформируется, и на её обкладках возникает ЭДС. Данный датчик является генераторным, т. е. для его работы не нужен дополнительный источник ЭДС. Данные преобразователи имеют два недостатка: появление паразитного заряда при изменении температуры и большая погрешность при установке под углом. Данные недостатки компенсируются в датчиках, в которых пьезокерамика работает не на сжатие и растяжения, а на срез. В качестве примера приведу характеристики преобразователя АР-28, производимого фирмой «Глобал Тест»: чувствительность порядка 3 мВ/м*с², рабочая частота от 0,5 Гц до 10 кГц, резонансная частота превышает 30 кГц, рабочая температура не более 125⁰.

Для измерения вибрации лопастей рабочая рабочего колеса компрессора датчики будем ставить на корпус самого компрессора в ближайших к рабочим колесам местах.

Вибрацию подшипников нужно измерять в радиальном и тангенциальном направлениях, и датчик нужно устанавливать на корпус подшипникового узла. Установка датчиков производится, в плоскости, проходящей через оси. При измерении вибрации подшипников рабочего колеса компрессора ставится на подшипниковый щит, так как сам подшипник недоступен для установки датчика Точки измерения вибрации (контрольной точки) при диагностике электромагнитной системы электрической машины выбираются таким образом, чтобы обеспечить эффективное обнаружение всех видов дефектов, то есть не только дефектов электромагнитной системы электродвигателя. Таких точек на электрической машине переменного тока желательно выбрать две, причем в каждой точке необходимо производить измерение вибрации в двух направлениях, а именно в радиальном и тангенциальном по отношении к оси вращения ротора.

Пользователь по своему усмотрению имеет право сократить число контрольных точек до одной, однако, в ряде случаев, это может привести к потере диагностической информации. Из-за нехватки времени для проведения диагностирования, (так как нахождение вибродиагноста в шахтах метрополитена ограничено по времени, а измерение вибрации электромагнитной системы занимает значительное время по сравнению с временем измерения других диагностируемых узлов) точку оставляют одну, и производят измерения в двух направлениях радиальном и тангенциальном.

В результате для диагностики компрессора выбираем следующие точки измерения вибрации:

— точка 1 — асинхронный двигатель, датчик устанавливается в радиальном и тангенциальном направлении на корпус самого двигателя.

— точка 2 — рабочее колесо, датчики будем ставить на корпус самого компрессора в ближайших к рабочим колесам местах.

— точка 3 — щит ПКД1, датчик устанавливается в радиальном направлении к оси вращения двигателя, в плоскости, проходящей через оси вращения.

— точка 4 — щит ПКД2, условия установки такие же, как у точки 3.

Блок-схемы, реализующие выбранные методы диагностики для диагностируемых узлов Блок схема измерения спектра огибающей изображена на рисунке 2

Рисунок 2 — Блок схема измерения спектра огибающей Блок схема измерения автоспектра изображена на рисунке 3

Рисунок 3 — Блок схема измерения автоспектра На схемах предварительный усилитель необходим для усиления сигнала. В первой схеме после предварительного усилителя установлен демодулятор, он необходим для выбора только высокочастотного диапазона частот из всего диапазона. Данные схемы реализуют параллельный спектральный анализ. Полосовые фильтры служат для выбора необходимых полос частот, их количество равно количеству частотных полос.

Расчёт основных установок анализатора Установки анализатора для диагностирования подшипника SU 311 и редуктора по спектру огибающей высокочастотной вибрации:

Граничные частоты

f_гр1=2f_в+2f_вр=2*353,27+2*49,3=805,14 Гц

f_гр2=3f_н+2f_вр=3*239,6+2*49,3=817,4 Гц С учетом погрешности выбираем ближайшей из ряда используемых в анализаторе в сторону увеличения, т. е. f_гр=1600 Гц.

Для выбора количества частотных полос в спектре огибающей, необходимо, чтобы первая гармоника находилась в 8-ой частотной полосе, следовательно, ширина одной полосы Дf=f_вр/8=49,3/8=6,16 Гц Количество частотных полос для спектра огибающей

n=f_гр/ Дf=1600/6,16=259,7

Ближайшее в сторону увеличения количество используемых в анализаторе частотных полос n=400.

Окончательно уточняем значение частотного разрешения в спектре огибающей высокочастотной вибрации Дf=f_гр/n=1600/400=4 Гц Для частоты вращения 49,3 Гц выбираем третьоктавный фильтр с центральной частотой f_ф=12 кГц. Ширина данного фильтра Дf_ф=12*0,23=2,76 кГц. Она превышает верхнюю граничную частоту измеряемого спектра огибающей вибрации, следовательно, фильтр удовлетворяет предъявляемым ему требованиям и может быть использован для диагностики второй оси редуктора и её подшипника.

Окончательные установки анализатора: f_гр=1600 Гц, n=400, f_ф=12 кГц, Дf_ф=2,76 кГц.

Установки анализатора для диагностирования асинхронного двигателя по автоспектру вибрации:

Граничная частота

f_гр=2f_Z+4f₁=2*1380,4+4*50=2960,8 Гц Верхнюю граничную частоту для автоспектра выбираем ближайшей из ряда используемых в анализаторе в сторону увеличения, т. е. f_гр=3200 Гц.

Для выбора количества частотных полос в спектре огибающей, необходимо, чтобы первая гармоника находилась в 8-ой частотной полосе, следовательно, ширина одной полосы Дf=f_вр/8=49,3/8=6,16 Гц Количество частотных полос для спектра огибающей

n=f_гр/ Дf=3200/6,16=519

Ближайшее в сторону увеличения количество используемых в анализаторе частотных полос n=800.

Окончательно уточняем значение частотного разрешения в спектре огибающей высокочастотной вибрации Дf=f_гр/n=3200/800=4 Гц Окончательные установки анализатора: f_гр=3200 Гц, n=800.

Для автоспектра, измеренного в радиальном направлении в режиме «Zoom» имеем:

f_гр=2f_вр=2*49,3=98,6 Гц Верхнюю граничную частоту для автоспектра выбираем ближайшей из ряда используемых в анализаторе в сторону увеличения, т. е. f_гр=100 Гц.

Для достоверной идентификации боковых на двойную частоту скольжения составляющих между ними должно быть минимум 3,6 частотных полос, тогда:

Дf=2f₁s /3.6=2*50*0,014/3.6=0,39 Гц Количество частотных полос для спектра огибающей

n=f_гр/ Дf=50/0,39=256

Ближайшее в сторону увеличения количество используемых в анализаторе частотных полос n=400.

Окончательно уточняем значение частотного разрешения в спектре огибающей высокочастотной вибрации Дf=f_гр/n=100/400=0,25 Гц Установки анализатора для диагностирования рабочего колеса компрессора по спектру огибающей высокочастотной вибрации:

f_гр1=2f_л+2f_вр=2*98,6+2*49,3=295,8 Гц Для спектра огибающей выбираем ближайшей из ряда используемых в анализаторе в сторону увеличения, т. е. f_гр=400 Гц.

Для выбора количества частотных полос в спектре огибающей, необходимо, чтобы первая гармоника находилась в 8-ой частотной полосе, следовательно, ширина одной полосы Дf=f_вр/8=49,3/8=6,16 Гц Количество частотных полос для спектра огибающей

n=f_гр/ Дf=400/6,16=65

Ближайшее в сторону увеличения количество используемых в анализаторе частотных полос n=100.

Окончательно уточняем значение частотного разрешения в спектре огибающей высокочастотной вибрации Дf=f_гр/n=400/100=4 Гц Для частоты вращения 49,3 Гц выбираем третьоктавный фильтр с центральной частотой f_ф=12 кГц. Ширина данного фильтра Дf_ф=12*0,23=2,76 кГц

Окончательные установки анализатора: f_гр=400 Гц, n=100, f_ф=12 кГц, Дf_ф=2,76 кГц.

Экспертное заключение о техническом состоянии для диагностируемых узлов Подшипник качения № 1

Обнаруженные дефекты:

модуляция

Обкатывание наружного кольца или бой вала (14,0%, сильный) Диагностические признаки в спектре огибающей:

kf_вр

Износ внутреннего кольца (14% сильный) Диагностические признаки в спектре огибающей:

kf_вр

Перекос наружного кольца (23% сильный) модуляция

Диагностические признаки в спектре огибающей:

_Kfн

Рекомендации:

Прекратить эксплуатацию до замены подшипника.

Подшипник качения № 2

Обнаруженные дефекты:

Износ внутреннего кольца (9,3 сильный) модуляция

Диагностические признаки в спектре огибающей:

kf_вр

Обкатывание наружного кольца (бой вала) (2,7%, средний) Диагностические признаки в спектре огибающей:

Kf_вр

Рекомендации:

Прекратить эксплуатацию до замены подшипника.

Асинхронный двигатель Обнаруженные дефекты:

Динамический эксцентриситет воздушного зазора (30% сильный) Диагностические признаки в автоспектре: 2f1±fz

Статический эксцентриситет воздушного зазора (53% сильный) Диагностические признаки в автоспектре: 2f1

Рекомендации:

Остановить работу двигателя и произвести ремонт Рабочее колесо компрессора Обнаруженные дефекты:

Дефект лопасти Кfл, Кfл±Kfвр (30% сильный) Общие рекомендации:

Эксплуатация данного компрессора не рекомендуется до устранения всех сильных дефектов.

Заключение

В результате выполнения работы был произведён расчёт основных частот вибрации узлов компрессора Цеха № 1 Чимкентского НПЗ ЦК 3/3, определён метод исследования каждого из узлов блока, для средств диагностирования были выбраны режимы работы и снятия параметров вибрации с узлов агрегата. По полученным данным был произведён анализ, в ходе которого были выявлены и идентифицированы дефекты, для каждого из которых были определены степени развития и предложены способы устранения. По результатам анализ дефектов составлено заключение о техническом состоянии компрессора нефтеперерабатывающего завода.